Биохимия водно-минерального обмена

Обмен липидов

Липиды – группа веществ, которые нерастворимы в воде. По строению липиды делят на простые и сложные. Простые липиды – жирные кислоты, воска, холестерол, триацилглицеролы. Жирные кислоты содержат карбоксильную группу; воска – простые эфиры спиртов и жирных кислот; холестерол содержит спиртовую группу. Триацилглицеролы состоят из спирта глицерина и жирных кислот.

Сложные липиды:

- фосфолипиды – состоят из глицерина, жирных кислот, фосфата, азотсодержащего вещества: холин, серин, этаноламин, также может содержаться инозитол.

- гликолипиды – состоят из липидной и углеводной части.

Функции липидов:

- энергетическая – выполняется триацилглицеролами

- входят в состав мембран – выполняется фосфолипидами и гликолипидами

- защитная – триацилглицеролы подкожно-жирового слоя защищают органы брюшной полости от внешних повреждений

- термоизоляционная – липиды сохраняют тепло в организме

- из холестерола образуются витамин Д, желчные кислоты, стероидные гормоны.

Переваривание липидов в желудочно-кишечном тракте

Процесс начинается в тонком кишечнике. Триацилглицеролы поступают в 12-ти перстную кишку. Туда же поступают желчные кислоты из печени, которые вызывают распад крупных жиров на более мелкие. Эти мелкие жиры могут расщепляться ферментом липазой, которая поступает в кишечник из поджелудочной железы. При этом липаза расщепляет триацилглицеролы на глицерин и жирные кислоты. Глицерин легко всасывается стенками тонкого кишечника в клетки тонкого кишечника, где используется на образование новых жиров. Жирные кислоты всасываются стенками тонкого кишечника с помощью желчных кислот. При этом жирные кислоты поступают в клетки тонкого кишечника, где идут на образование новых жиров.

Транспорт жиров в крови по органам осуществляют липопротеины (ЛП). ЛП – это сложные белки, они состоят из белковой и липидной частей. Различают следующие ЛП:

- хиломикроны – образуются в тонком кишечнике, переносят жиры из кишечника в печень и другие органы

- ЛП очень низкой плотности – образуются в печени, переносят жиры из печени в ткани

- ЛП низкой плотности - образуются в крови из ЛП очень низкой плотности, переносят холестерол из печени в ткани

- ЛП высокой плотности – образуются в печени, переносят лишний холестерол из тканей в печень, откуда холестерол выводится из организма.

Образование энергии при окислении триацилглицеролов

Сначала в цитоплазме клетки триацилглицеролы расщепляются на глицерин и жирные кислоты. Глицерин окисляется с образованием пирувата, который идет на окислительное декарбоксилирование. В результате образуется ацетил-коэнзим А, который идет в цикл Кребса, где образуются углекислый газ, ГТФ, НАДН2, ФАДН2. НАДН2, ФАДН2 идут в дыхательную цепь митохондрий, где образуется вода, АТФ.

Жирные кислоты окисляются в митохондриях до ацетил-коэнзима А, который далее окисляется в цикле Кребса, где образуются углекислый газ, ГТФ, НАДН2, ФАДН2. НАДН2, ФАДН2 идут на дыхательную цепь митохондрий, где образуется вода, АТФ.

Образование новых жиров осуществляется из глицерина, сфингозина, жирных кислот, фосфата, холина, серина, этаноламина, инозитола.

Регуляция обмена липидов

Инсулин способствует синтезу жиров в жировой ткани из глюкозы.

Глюкагон, адреналин вызывают распад жиров для получения из жиров энергии.

Кетоновые тела

Кетоновые тела образуются из ацетил-коэнзима А, а ацетил-коэнзим А образуется при распаде жирных кислот. Кетоновые тела выполняют энергетическую функцию при сахарном диабете, голодании, физической работе.

Обмен белков

Белки – вещества, состоящие аминокислот.

Функции белков:

- белки-ферменты осуществляют биохимические реакции

- структурная – белки входят в состав мембран

- гормональная – некоторые гормоны имеют белковую природу

- иммунная – белки иммуноглобулины являются антителами, которые обезвреживают поступающие в организм бактерии и вирусы

- сократительная – белки мышц актин и миозин, участвуют в сокращении мышц

- рецепторная – белки входят в состав рецепторов, которые принимают сигнал от гормонов

- альбумины удерживают жидкость в крови

- белки плазмы крови поддерживают нормальную рН крови

Переваривание белков в желудочно-кишечном тракте

Процесс начинается в желудке. Фермент пепсин желудочного сока при участии соляной кислоты расщепляет белки на фрагменты. Эти фрагменты поступают в 12-типерстную кишку, куда поступают ферменты из поджелудочной железы: трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидаза. Эти ферменты расщепляют белковые фрагменты на дипептидазы, трипептидазы, которые поступают в нижележащие отделы тонкого кишечника, где расщепляются до аминокислот.

Аминокислоты всасываются стенками кишечника в кровь, и поступают в органы, где из них происходит образование белков.

Обмен аминокислот

При распаде аминокислот в тканях образуются аммиак, безазотистый остаток. Аммиак в тканях связываются с альфа-кетоглутаровой кислотой, образуется глутамат, далее глутамат взаимодействует снова с аммиаком, в результате образуется глутамин. Глутамин поступает в кровь, далее в кишечник. В кишечнике от глутамина отщепляется аммиак, и образуется глутамат. Аммиак из кишечника по воротной вене поступает в печень. Глутамат в кишечнике взаимодействует с аланином, который далее поступает в печень по воротной вене. В печени аланин распадается с образованием аммиака и пирувата, пируват используется на синтез глюкозы.

Глутамин из органов поступает также в почки, где распадается с образованием аммиака. Аммиак переносится в полость почечных канальцев, где взаимодействует с Н+, образуется ион аммония, который выводится с мочой.

Таким образом, из тканей в печень поступает аммиак. Аммиак – токсическое вещество. Оно обезвреживается в печени, при этом образуется нетоксическое вещество – мочевина, которая выводится через почки с мочой. Поэтому повышение содержания мочевины в крови может быть при заболеваниях почек.

При отщеплении аминогруппы от аминокислот образуется безазотистый остаток, который может быть использован для синтеза глюкозы и кетоновых тел.

При отщеплении от аминокислот карбоксильной группы образуются биогенные амины. Например, из аминокислоты гистидина образуется гистамин, который принимает участие в аллергических реакциях; из глутамата образуется гамма-аминомасляная кислота, которая является медиатором торможения в ЦНС; из тирозина образуется диоксифенилаланин, который является предшественником норадреналина и адреналина – гормонов мозгового слоя надпочечников. Биогенные инактивируются в печени и выводятся из организма.

Регуляция белкового обмена

Кортизол – гормон коры надпочечников, этот гормон способствует распаду белков до аминокислот, из которых в печени идет синтез глюкозы в период длительного голодания, нарушении режима питания, при сахарном диабете.

Соматотропин – гормон гипофиза, тестостерон, инсулин оказывают анаболическое действие, т.е. активируют синтез белка в тканях.

Обмен нуклеотидов

Нуклеотиды – входят в состав нуклеиновых кислот. Нуклеотиды состоят из азотистого основания, рибозы или дезоксирибозы, фосфата. Азотистые основания бывают - пуриновые – аденин - А и гуанин - Г

- пиримидиновые – тимин - Т, урацил - У, цитозин - Ц.

Для синтеза пуриновых азотистых оснований необходимы глутамин, глицин, фолиевая кислота, аспартат, углекислый газ. Для синтеза пиримидиновых азотистых оснований необходимы глутамин, углекислый газ, аспартат. В процессе синтеза азотистых оснований происходит присоединение рибоза+фосфат, образуется нуклеотид, который взаимодействует с АТФ и образуются АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ, ТТФ. Эти соединения используются для синтеза ДНК и РНК.

Распад аденина и гуанина осуществляется до мочевой кислоты. Мочевая кислота выводится из организма через почки. Поэтому повышение содержания мочевой кислоты в крови может при патогии почек. Избыточное накопление мочевой кислоты в суставах вызывает воспалительные изменения и развивается заболевание подагра.

При распаде цитозина, урацила, тимина образуются бета-аланин и изоаминомасляная кислота.

Биохимия крови

Обмен гемоглобина

Основная функция гемоглобина – транспорт кислорода и углекислого газа в крови. Гемоглобин состоит из белковой части – глобина, и небелковой части – гема. Синтез гемоглобина происходит в красном костном мозге, печени, селезенке. Глобин образуется на рибосомах, как любой белок. Образование гема: сначала взаимодействуют глицин и сукцинил-коэнзим А, образуется аминолевулиновая кислота, для этой реакции необходим фермент – аминолевулинатсинтетаза и витамин – пиридоксин. Далее аминолевулиновая кислота путем последовательных реакций превращается порфобилиноген, затем в протопорфирин, который взаимодействует с атомом железа, и образуется гем.

Регуляция синтеза гема: гем и гемоглобин снижают синтез фермента аминолевулинатсинтетазы.

Синтез фермента аминолевулинатсинтетазы активируется при действии стероидных гормонов – эстрогенов, прогестинов, барбитуратов, диклофенака, сульфаниламидов. Поэтому при приеме этих лекарств образуется много промежуточных продуктов синтеза гемма, которые могут вызывать порфирии. Продукты синтеза гемма накапливаются в коже и под действием ультрафиолета превращаются в активные радикалы, что повышает перекисное окисление липидов и белков.

При распаде гема образуются железо и билирубин.

Обмен железа

Железо входит в состав многих белков – цитохромов, каталазы, пероксидазы, гемоглобина, миоглобина и т.д.. Железо поступает в организм с пищей. В желудке из солей пищи железо высвобождается при участии соляной кислоты. Всасывается железо в тонком кишечнике. При этом в организм железо поступает в виде Fe 3+, а всасывается в виде Fe 2+, поэтому железо Fe 3+ сначала восстанавливается в полости тонкого кишечника с помощью аскорбиновой кислоты, образуется Fe 2+, это железо проникает в клетки тонкого кишечника, где взаимодействует с белком апоферитином. Часть поступившего железа находится в кишечнике с белком апоферитином. Другая часть железа поступает в кровь, где превращается в Fe 3+ и переносится белком трансферрином к тканям. На тканях есть рецепторы к трансферрину, с помощью которых железо поступает внутрь клеток и запасается в составе белка ферритина. Если железа в организме достаточно, то его излишки выводятся с калом, потом, мочой.

При недостатке железа в организме развивается железодефицитная анемия, при которой наблюдается в крови снижение гемоглобина, эритроцитов, железа.

Белки плазмы крови

Альбумин- в норме его содержание в плазме 33-55 г/л. Образуется в печени. Имеет много кислых аминокислот – аспарагиновой и глутаминовой, их СООН-группы способны удерживать ионы натрия и воду, что способствует повышению онкотического давления в плазме крови. Альбумины переносят билирубин, лекарства, ионы кальция, гормоны щитовидной железы.

Снижение уровня альбуминов в плазме наблюдается при болезнях печени, почек, белковом голодании. Повышение уровня альбуминов в плазме наблюдается при обезвоживании, избыточном поступлении альбумина в виде растворов.

Глобулины.Различают:

- α1- глобулины. Образуются в печени. Переносят в крови витамин А, витамин В12, кортизол, преднизолон. Снижают расщепление белков в организме путем ингибирования протеаз – ферментов, расщепляющих белки.

- α2-глобулины. Образуются в печени. Переносят витамины Д, Е, К, липиды, гемоглобин, ионы меди. Снижают расщепление белков в организме путем ингибирования протеаз.

- β- глобулины – трансферрин. Образуются в печени. Переносят железо.

- γ- глобулины. Образуются в печени и в клетках лимфатической системы. Выполняют роль антител, которые обезвреживают бактерии.

Глобулины повышаются в крови при воспалительных процессах. Снижаются – при недостаточном питании, болезнях печени, злокачественных болезнях.

Фибриноген. Участвует в свертывании крови. Образуется в печени.

Система гемостаза

Гемостаз – это реакции, способствующие свертыванию крови в случае повреждений сосудов (свертывающая система), а также гемостаз поддерживает кровь в жидком состоянии (противосвертывающая система).

Процессы свертывания крови

При повреждениях капилляров включается сосудисто-тромбоцитарный гемостаз. Происходит спазм сосудов под действием катехоламинов, на поврежденный сосуд прилипаются тромбоциты, далее тромбоциты слипаются между собой. Образуется белый тромб, который закупоривает сосуд, образуется белый тромб, и кровотечение останавливается.

При повреждении крупных сосудов включается коагуляционный гемостаз. В этом процессе участвуют факторы свертывания в крови, которые образуются в печени. Некоторые факторы свертывания активируются в печени при участии витамина К. Процесс свертывания крови при повреждении сосудов протекает по внешнему пути. При поражении органов в кровь выбрасывается тканевой тромбопластин – III фактор, он активирует VII фактор, при этом образуется комплекс на мембране эндотелия

III фактор+ VII фактор+Са2+. Этот комплекс активирует следующий комплекс

V фактор+X фактор+Са2+. Этот комплекс активирует протромбин, превращает его в тромбин. Тромбин расщепляет фибриноген до растворимых соединений, которые соединяются между собой с образованием нерастворимого фибрина – красный тромб. Тромб закупоривает сосуд, кровотечение останавливается.

При возникновении поврежденной поверхности сосудов (атеросклеротическая бляшка) активируется внутренний путь свертывания крови. Активируется XII фактор, далее активируется XI фактор, далее активируется комплекс IX фактор+VIII фактор+Са2+, далее активируется комплекс X фактор+V фактор+Са2+. Этот комплекс активирует протромбин, который превращается в тромбин. Тромбин расщепляет фибриноген до фибрина – красного тромба.

Противосвертывающая система

- фибринолитическая система. Включает плазминоген, активатор плазминогена. Активатор плазминогена превращает плазминоген в активный плазмин, который расщепляет фибрин до растворимых продуктов.

- антикоагулянтная система. Сначала тромбин взаимодействует с тромбомодулином. Это активирует протеины С и S. Они расщепляют факторы свертывания крови, что снижает образование тромба

- ингибиторы факторов свертывания крови. Антитромбин снижает активность факторов свертывания крови. Антитромбин активен в присутствии гепарина.

Биохимия печени

Печень выполняет следующие функции:

- участвует в переваривании липидов: образует желчь, которая эмульгирует жиры и активирует липазу

- синтез гликогена, глюкозы; распад гликогена и окисление глюкозы

- синтез липопротеинов, которые осуществляют транспорт жиров из печени в ткани и из тканей в печень; синтез холестерола, витамина Д, стероидных гормонов

- синтез белков, обмен аминокислот, синтез мочевины

- обезвреживание токсических веществ: аммиака, билирубина, продуктов гниения аминокислот

- инактивация гормонов

Обезвреживание токсических веществ в печени

Обезвреживание токсических веществ осуществляется с помощью микросомальной системы. В микросомах содержатся ферменты - оксигеназы. Эти ферменты при участии НАДФН2, аскорбиновой кислоты, железа, молекулярного кислорода окисляют токсические вещества. При этом образуются менее токсические и более растворимые продукты, которые легче выводятся из организма

Р + НАДФН2 + О2 Р-ОН + НАДФ+вода

Где Р – токсическое вещество, Р-ОН – продукт обезвреживания

Некоторые вещества, например билирубин, обезвреживаются при участии глюкуроновой кислоты и ФАФС – фосфоаденозилфосфосульфат. При этом образуются менее токсичные глюкурониды и сульфаты. Эти продукты выводятся через почки и кишечник.

В толстом кишечнике под действием микрофлоры происходит распад тирозина на крезол и фенол, фенилаланина - на фенилэтиламин, триптофана – на скатол и индол. Полученные вещества являются токсическими. Они поступают по воротной вене в печень, где обезвреживаются при участии глюкуроновой кислоты и ФАФС.

Обмен билирубина

Билирубин образуется следующим образом:

В печени, селезенке, костном мозге происходит распад эритроцитов. При этом образуется свободный гемоглобин, который распадается на гем и глобин. Гемм распадается на железо и билирубин. Из селезенки и костного мозга билирубин поступает в кровь, где соединяется с альбумином. Образуется непрямой (неконьюгированный) билирубин, является токсическим веществом. Комплекс билирубин+альбумин перемещается в печень, где распадается на билирубин и альбумин. Альбумин снова переходит в кровь. Билирубин взаимодействует с глюкуроновой кислотой, образуются билирубинглюкронид – прямой (коньюгированный) билирубин – нетоксическое вещество. Небольшое количество прямого билирубина всасывается в кровь, а большая часть билирубина поступает в желчевыводящие ходы, затем в кишечник. В кишечнике прямой билирубин распадается на непрямой билирубин и глюкуроновую кислоту, которая возвращается в печень по воротной вене. Непрямой билирубин превращается в бесцветный пигмент – уробилиноген, часть которого всасывается в кровь и выводится через почки. Большая часть уробилиногена в кишечнике превращается в темный пигмент уробилин, который выводится с калом. Таким образом, в норме в моче обнаруживается только желчный пигмент – уробилиноген.

При нарушении выведения билирубина его количество в крови возрастает и возникают желтухи. Различают

- гемолитическую желтуху. Ее причины – резус-конфликт между резус-отрицательной матерью и резус-положительным плодом, физиологическая желтуха новорожденных, интенсивный распад гема при приеме барбитуратов, стероидов, диклофенака, переливание несовместимой крови

При резус-конфликте между резус-отрицательной матерью и резус-положительным плодом происходит распад эритроцитов плода и новорожденного под действием антител матери. При этом в организме плода и новорожденного образуется много билирубина, который вызывает желтуху.

В периоде адаптации у новорожденных происходит усиленный распад фетального гемоглобина и его замена на нормальный гемоглобин. При усиленном распаде фетального гемоглобина образуется много билирубина, который вызывает желтуху.

При гемолитической желтухе в крови – значительное повышение непрямого билирубина, норма или немного повышен прямой билирубин, в моче – много уробилиногена, в кале – много уробилина.

- паренхиматозная желтуха. Причины – поражение печени. При этом затруднено образование прямого билирубина и выведение прямого через желчевыводящие ходы и кишечник. Т. к. затруднено выведение прямого билирубина через желчевыводящие ходы и кишечник, то большая часть прямого билирубина всасывается в кровь, далее прямой билирубин выводится с мочой, поэтому в крови – значительное повышение прямого билирубина, норма или немного повышен непрямой билирубин, в моче – обнаруживается прямой билирубин – моча цвета пива, мало уробилиногена, в кале – мало уробилина – кал гипохоличный.

- обтурационная желтуха. Причины – желчекаменная болезнь – закупорка камнем желчевыводящих протоков или сдавление желчевыводящих протоков опухолью головки поджелудочной железы. При этом полностью нарушается выведение прямого билирубина через желчевыводящие ходы и кишечник, поэтому большая часть прямого билирубина всасывается из печени в кровь и выводится через почки с мочой. В крови - значительное повышение прямого билирубина, норма или немного повышен непрямой билирубин, в моче – обнаруживается прямой билирубин – моча цвета пива, отсутствует уробилиноген, в кале – отсутствует уробилин – кал ахоличный.

Биохимия водно-минерального обмена

Вода в организме выполняет следующие функции

- является растворителем веществ, что облегчает взаимодействие между веществами

- организует межклеточное вещество

- участвует в транспорте веществ

Основные минеральные элементы – калий, натрий, кальций, железо, медь, цинк, кобальт, сера и т.д.

Калий – основной элемент клетки, т.е. его уровень высок в клетке. Калий переносит глюкозу в клетки, необходим для возникновения возбуждения в мембране, улучшает работу миокарда. Регулирует кислотно-основное равновесие организма.

Натрий – основной внеклеточный ион, его уровень высок вне клетки. Регулирует водный обмен, необходим для возникновения возбуждения в мембране клетки. Регулирует кислотно-основное равновесие организма.

Кальций – внеклеточный элемент. Выполняет следующие функции – участие в свертывании крови, мышечном сокращении, основной элемент костей и зубов.

Фосфор – элемент энергетических веществ – АТФ и креатинфосфата

Железо – входит в состав белков, которые участвуют в образовании энергии. Входит в состав гемоглобина, который переносит кислород и углекислый газ в крови. Железо входит в состав миоглобина, который переносит и запасает кислород в мышцах.

Медь – участвует в обезвреживании активных радикалов, окислении веществ

Цинк – входит в состав ферментов

Кобальт – входит в состав ферментов

Сера – входит в состав белков.

Количество воды в организме строго контролируется при участии гормонов. Гормон задней доли гипофиза – вазопрессин является антидиуретическим гормоном. Он вырабатывается при высокой концентрации натрия в плазме, которое наблюдается при обезвоживании организма, при употреблении больших количеств соли. В результате на большой уровень натрия в плазме возбуждаются осморецепторы сосудов, сигнал от них передается в ЦНС, оттуда в гипоталамус, где происходит синтез вазопрессина, который поступает в заднюю долю гипофиза, затем поступает в кровь. Также из ЦНС сигнал поступает в заднюю долю гипофиза, где происходит выброс вазопрессина в кровь. По крови вазопрессин переносится в клетки дистальных почечных каналец. В клетках почечных канальцев происходит синтез белка аквапорина, который способствует всасыванию воды из клеток почечных каналец в кровь. В результате количество воды в крови возрастает, а концентрация натрия снижается. Кроме того, вазопрессин вызывает сужение кровеносных сосудов, при этом повышается артериальное давление.

Гормон коры надпочечников – альдостерон способствует всасыванию натрия из клеток дистальных почечных канальцев в кровь, т.е. вырабатывается при снижении уровня натрия в крови. При этом возбуждаются осморецепторы сосудов, от них возбуждение передается в ЦНС, оттуда в гипоталамус, где происходит секреция и синтез кортиколиберина. Кортиколиберин перемещается к передней доле гипофиза, где происходит секреция и синтез адренокортикотропина – АКТГ. АКТГ по крови переносится к коре надпочечников, где происходит секреция и синтез альдостерона. Альдостерон поступает в кровь и по крови переносится к дистальным почечным канальцам, где способствует всасыванию натрия в кровь, при этом концентрация натрия в крови повышается. Также всасываются ионы хлора, вода, а калий выводится из организма с мочой.

Предсердный натрий-уретический фактор – ПНФ вырабатывается клетками предсердий. ПНФ способствует выведению воды, натрия, хлора, всасыванию калия. Подавляет действие альдостерона. Расширяет кровеносные сосуды. Вырабатывается при повышении уровня воды в организме, что сопровождается повышением артериального давления. После действия ПНФ уровень воды в организме снижается и артериальное давление снижается.